Babassu nut residues: potential for bioenergy use in the North and Northeast of Brazil
Artigo aceito para publicação na revista SpringerPlus (ISSN 2193-1801) e DOI: 10.1186/2193-1801-3-124
Thiago de Paula Protásio1*, Paulo Fernando Trugilho1, Antônia Amanda da Silva César1, Alfredo Napoli2, Isabel Cristina Nogueira Alves de Melo1, Marcela
Gomes da Silva3
1
Universidade Federal de Lavras - UFLA, Departamento de Ciências Florestais, Câmpus Universitário s/n, Caixa Postal: 3037, Lavras – MG, Brasil. *Autor correspondente: depaulaprotasio@gmail.com - Telefone: + 55 35 9223 – 0472.
2
Centre de Coopération Internationale En Recherche Agronomique Pour Le Développement - CIRAD, Biomass, Wood, Energy, Bioproducts Unit (BioWooEB), Montpellier, France.
3
Universidade Federal Rural da Amazônia – UFRA, Avenida Tancredo Neves, n. 2501, Caixa Postal: 917, Belém – PA, Brasil.
RESUMO
O babaçu é considerado o maior recurso oleífero nativo do mundo e ocorre naturalmente no Brasil. Estima-se, que a cada tonelada de coco babaçu tem-se 930 kg de resíduos (casca). A proposta deste estudo foi avaliar o potencial de uso bioenergético dos resíduos do coco babaçu (epicarpo, mesocarpo e endocarpo), especialmente para a combustão direta e produção de carvão vegetal mediante a análise de suas características químicas, físicas, energéticas e térmicas. O material foi coletado na zona rural do município de Sítio Novo do Tocantins, no estado do Tocantins, Brasil, e é proveniente da exploração extrativista realizada pelas comunidades locais. As análises foram realizadas considerando conjuntamente as três camadas que compõem a casca do coco babaçu. Foram realizadas as caracterizações moleculares (lignina, extrativos totais e holocelulose); elementar (C, H, N, S e O); imediata (carbono fixo, materiais voláteis e cinzas); energética (poder calorífico superior e poder calorífico inferior); física (densidade básica e densidade energética) e térmica (termogravimetria e análise térmica diferencial), além da caracterização morfológica por meio da microscopia eletrônica de varredura. Os resíduos do coco babaçu apresentaram elevado potencial bioenergético, principalmente devido à sua elevada densidade energética. O uso dessa biomassa como fonte de bioenergia pode ser altamente viável, haja vista as suas características químicas e térmicas aliadas a um baixo teor de cinzas. A casca do coco babaçu apresentou alta densidade básica e teor de lignina satisfatório para a produção sustentável de bioenergia e carvão vegetal passível de substituir o coque nas siderúrgicas brasileiras.
Palavras-chave: babaçu, caracterização, biocombustível alternativo, carvão
ABSTRACT
Babassu is considered the largest native oil resource worldwide and occurs naturally in Brazil. It is estimated that, for each ton of babassu nut, there are 930 kg of residues (shell). The purpose of this study was to evaluate the potential of babassu nut residues (epicarp, mesocarp and endocarp) for bioenergy use, especially for direct combustion and charcoal production, through the analysis of their chemical, physical, energy and thermal characteristics. The material was collected in the rural area of the municipality of Sítio Novo do Tocantins, in the state of Tocantins, Brazil, and is obtained from the extractive exploitation by local communities. Analyses were performed considering jointly the three layers that make up the babassu nut shell. The following characterizations were performed: molecular (lignin, total extractives and holocellulose), elemental (C, H, N, S and O), immediate (fixed carbon, volatiles and ash), energy (higher heating value and lower heating value), physical (basic density and energy density) and thermal (thermogravimetry and differential thermal analysis), besides the morphological characterization by scanning electron microscopy. Babassu nut residues showed a high bioenergy potential, mainly due to their high energy density. The use of this biomass as a bioenergy source can be highly feasible, given their chemical and thermal characteristics, combined with a low ash content. Babassu nut shell showed a high basic density and a suitable lignin content for the sustainable production of bioenergy and charcoal, capable of replacing coal in Brazilian steel plants.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, as principais preocupações dos países em relação à energia estão relacionadas ao uso excessivo e à dependência dos combustíveis fósseis, aos perigos das emissões e concentração de CO2 na atmosfera e ao aquecimento
global (ZHU et al., 2011). Segundo estimativas do IEA (2011) é esperado um aumento de 53% no consumo de energia no mundo até 2035, sendo que os combustíveis fósseis fornecerão a maior parte da energia utilizada. Já o consumo de energia renovável deve aumentar de 10% em 2008 para 14% em 2035 (IEA, 2011).
Isso evidencia a dependência da humanidade pelos combustíveis não renováveis e a necessidade de pesquisas científicas e desenvolvimento tecnológico, a fim de diversificar as fontes de energia e reduzir o consumo de tais combustíveis, subsidiando, assim, a consolidação de uma matriz energética mais segura e menos poluente.
Neste contexto, a biomassa vegetal tem sido considerada uma energia renovável potencial, que pode contribuir consideravelmente para a redução do consumo dos combustíveis não renováveis e consequentemente reduzir as emissões de gases causadores de efeito estufa (SHENG; AZEVEDO, 2005; MOGHTADERI; SHENG; WALL, 2006; SHEN; GU, 2009; KIM; EOM; WADA, 2010; PROTÁSIO et al., 2013a). O interesse no uso da biomassa como fonte alternativa de energia consiste no fato de ser um material sustentável e de regeneração contínua (POLETTO et al., 2012). Além disso, a utilização energética de resíduos lignocelulósicos é uma alternativa viável para a sustentabilidade e evita a poluição em larga escala do solo, água e ar (PROTÁSIO et al., 2013a).
Apesar de a matriz energética mundial ser dependente, quase que exclusivamente pelos combustíveis fósseis (IEA, 2011), alguns países têm
aproveitado seu potencial agroflorestal para aumentar o uso da biomassa vegetal como fonte alternativa de energia (WRIGHT, 2006; PROTÁSIO et al., 2013a). Esse é o caso do Brasil que apresenta 44,1% da oferta interna de energia proveniente de fontes renováveis, com participação de 25,4% dos diversos produtos provenientes da biomassa (EPE, 2012).
O país é um dos poucos que apresenta um grande potencial de expansão de uso e produção de biomassa devido à grande disponibilidade de áreas de cultivo, bem como de resíduos lignocelulósicos provenientes da agroindústria (ROUSSET et al., 2013; DIAS et al., 2012). A cana-de-açúcar com 9.616.615 ha (IBGE, 2011) e o eucalipto com 4.873.952 ha (ABRAF, 2012) são as duas principais fontes de biomassa para energia no Brasil. No entanto, há outros materiais lignocelulósicos com grande potencial de uso bioenergético, como o coco babaçu com 14.563.000 ha nativos (EMBRAPA, 1984; TEIXEIRA, 2008).
O babaçu é considerado o maior recurso oleífero nativo no mundo e ocorre naturalmente no Brasil e Colômbia (EMBRAPA, 1984) e refere-se a três distintos gêneros da família Arecacae: Scheelea, Attalea e Orbignya, sendo a espécie Orbignya phalerata Mart. a mais comum e de ampla ocorrência (TEIXEIRA, 2008). A área de ocorrência do babaçu é uma zona de transição entre as florestas úmidas da bacia amazônica (região Norte) e as terras semiáridas do Nordeste brasileiro.
As palmeiras do babaçu podem chegar até 20 m de altura com a produção de quatro cachos de frutos (drupas) por palmeira por temporada, sendo que cada cacho pode apresentar 15-25 frutos (LORENZI, 2010; TEIXEIRA, 2008). A palmeira inicia o ciclo produtivo entre sete e dez anos e termina com 35 anos, com produtividade de 2,2 até 15,6 toneladas de frutos por ha/ano (NOGUEIRA; LORA, 2003).
Quanto à disponibilidade brasileira atual de resíduo do coco babaçu, Dias et al. (2012) estimaram, com base na produção de amêndoas, 106.055
toneladas, fornecida pelo IBGE (2010) um montante anual de 1.409.016 toneladas. Por outro lado, Teixeira (2008) estimou um potencial brasileiro de 6,8 milhões de toneladas de frutos/ano, sendo o Maranhão o estado com maior potencial (92%), desde que melhorias no processo de exploração silvicultural sejam efetuadas.
O resíduo do coco babaçu (ou casca) compreende o conjunto das três camadas constituintes do fruto (epicarpo, mesocarpo e endocarpo). Essas camadas correspondem a aproximadamente 93% do total do fruto (EMBRAPA, 1984; EMMERICH; LUENGO, 1996; DIAS et al., 2012;). Portanto, a cada tonelada de coco babaçu tem-se 930 kg de resíduos. Entretanto, apesar dessa grande oferta de resíduo lignocelulósico, a maioria dessa biomassa é descartada inadequadamente no ambiente (DIAS et al., 2012), o que pode trazer impactos negativos ao ambiente.
Diante da considerável oferta de resíduos do coco babaçu no território brasileiro e da sua importância social para as comunidades extrativistas (TEIXEIRA, 2008; PORRO; VEIGA; MOTA, 2011; DIAS et al., 2012) tornam- se fundamentais pesquisas relacionadas ao seu adequado aproveitamento, onde a análise do potencial energético dessa biomassa é uma das opções viáveis. Essa análise visa fornecer subsídio para o seu correto e mais eficiente uso, seja na produção de calor ou vapor em caldeiras, produção de carvão destinado à siderurgia, bio-óleo, gases combustíveis, etanol de segunda geração e cocção de alimentos.
Pelo exposto, o objetivo deste estudo foi avaliar o potencial de uso bioenergético dos resíduos do coco babaçu (epicarpo, mesocarpo e endocarpo), especialmente considerando a combustão direta e produção de carvão vegetal, mediante a análise de suas características químicas, físicas, energéticas e térmicas.
2 MATERIAL E MÉTODOS
2.1 Local de coleta e amostragem da biomassa do coco babaçu
Foram utilizadas conjuntamente as três camadas constituintes do coco babaçu, ou seja, o epicarpo, mesocarpo e o endocarpo. O material, aproximadamente 12 kg, foi coletado na zona rural do município de Sítio Novo do Tocantins, no estado do Tocantins, Brasil (Figura 1) e é proveniente da exploração extrativista realizada pelas comunidades locais. A biomassa apresentava umidade, em base seca, de aproximadamente 10%.
Figura 1 Local de coleta dos resíduos do coco babaçu.
O município de coleta apresenta população de 9.148 habitantes, área de 324 km², está localizado no extremo norte do Estado, no vale do Rio Tocantins,
região conhecida como “bico do papagaio” (Figura 1) e é caracterizado por apresentar densos babaçuais (IBGE, 2013).
2.2 Caracterização morfológica dos fragmentos do coco babaçu
Foi empregado o microscópio eletrônico de varredura modelo LEO EVO 40 XVP Zeiss e obtidas imagens por meio de elétrons secundários com ampliação de 37, 40 e 100x. A distância de trabalho (WD) considerada foi de 9, spot size de 720 e velocidade de 5,5 Kcps.
Utilizou-se um fragmento representativo da biomassa analisada do qual se retirou uma amostra de 1,5 cm de comprimento, 1,5 cm de largura e 1,0 cm de altura (volume de 2,25 cm³), para observar as distintas camadas do coco babaçu (epicarpo, mesocarpo e endocarpo). Para evitar os efeitos de carga dentro da câmara do microscópio, a amostra foi submetida ao processo de metalização por “sputtering”, com deposição de um filme de ouro sobre a sua superfície.
Adicionalmente, foram obtidas imagens dos fragmentos do coco babaçu em escala natural, por meio de uma câmera digital, visando demonstrar as características morfológicas típicas da biomassa residual analisada.
2.3 Caracterizações químicas: molecular e elementar
Para a caracterização química, energética e térmica da biomassa analisada foi retirada uma amostra representativa do lote coletado de aproximadamente 1 kg. O material foi processado em um moinho martelo e homogeneizado, sendo posteriormente classificado em peneiras de 40, 60 e 200 mesh. Os ensaios químicos e energéticos foram realizados em quadruplicata.
A quantificação do teor de extrativos totais foi realizada utilizando-se a fração da biomassa retida entre as peneiras de 40-60 mesh, segundo a norma
NBR 14853 (ABNT, 2010a). Foi utilizado um extrator soxhlet e as amostras foram submetidas a uma sequência de toluol-etanol (2:1, 5 horas), etanol (4 horas) e água quente (2 horas).
A determinação do teor de lignina insolúvel foi realizada mediante procedimento descrito na norma NBR 7989 (ABNT, 2010b). Utilizaram-se as amostras, aproximadamente 1g, livres de extrativos e o solvente utilizado foi o ácido sulfúrico 72% mantido resfriado. O teor de lignina solúvel em ácido sulfúrico foi determinado por meio de espectrofotometria, tendo sido utilizada a equação descrita por Goldschimid (1971). O teor de lignina total foi considerado como sendo a soma das ligninas solúvel e insolúvel.
O teor de holocelulose foi obtido por diferença em relação aos demais constituintes químicos e minerais da biomassa.
A análise elementar foi realizada em um analisador universal da marca Elementar (modelo Vario Micro Cube) para quantificação dos teores de carbono, hidrogênio, nitrogênio e enxofre em relação à massa seca dos resíduos do coco babaçu. Foram utilizadas as amostras retidas entre as peneiras de 60-200 mesh, da mesma forma como utilizado por Protásio et al. (2013a). O teor de oxigênio (Equação 1) foi obtido por diferença (BECH; JENSEN; DAM-JOHANSEN, 2009; PROTÁSIO et al., 2013a). Com base nos teores dos constituintes elementares foram obtidas as relações N/C, H/C e O/C, bem como as razões molares e a fórmula empírica da biomassa.
O = 100 – C – H – N – S – Cz (1)
Em que: O é o teor de oxigênio (%); C é o teor de carbono (%); H é o teor de hidrogênio (%); N é o teor de nitrogênio (%); S é o teor de enxofre (%) e Cz é o teor de cinzas (%).
2.4 Composição química imediata e caracterização das cinzas
Procedeu-se a análise química imediata da biomassa para a quantificação dos teores de materiais voláteis e cinzas e, por diferença, de carbono fixo, segundo as diretrizes da norma ASTM D1762-84 (ASTM, 2007).
Visando à quantificação/qualificação dos elementos químicos presentes nas cinzas utilizou-se a espectroscopia de energia dispersiva por raios-X no aparelho Quantax X Flash 5010 Bruker acoplado ao microscópio eletrônico de varredura modelo LEO EVO 40 XVP Zeiss. As frações das amostras retidas na peneira de 60 mesh foram montadas em dois “stubs” metalizadas no aparelho evaporador de carbono modelo Union CED 020.
Nas imagens obtidas em cada “stub” foram analisados onze pontos aleatórios, sendo posteriormente realizada a média aritmética dos valores encontrados. Para caracterizar as cinzas, os elementos químicos foram normalizados a 100% e utilizou-se a massa molecular dos óxidos (NiO, P2O5,
F2O3, Cr2O3, Al2O3, MgO, CaO, K2O e SiO2) para estimar o percentual de óxido
em relação ao total das cinzas.
2.5 Caracterizações física e energética
Para a determinação da densidade básica dos resíduos do coco babaçu foram retirados aleatoriamente do lote coletado 31 fragmentos. Foi utilizado o método de imersão em água, segundo as diretrizes da norma NBR 11941 (ABNT, 2003). A massa seca de cada fragmento variou de 10 a 40 gramas, sendo em média 24 gramas.
Para a obtenção do poder calorífico superior (PCS) foi utilizado um calorímetro digital da marca IKA C-200 de acordo com os procedimentos descritos na ASTM E711-87 (ASTM, 2004). As amostras para determinação do
PCS foram classificadas em peneiras de 40/60 mesh, sendo utilizadas no ensaio as frações das amostras retidas na peneira de 60 mesh, as quais foram secas em estufa a 103±2ºC até massa constante. O poder calorífico inferior, base seca, foi estimado utilizando-se a Equação 2.
PCI = PCS – (600 x 9H/100) (2)
Em que: PCI é o poder calorífico inferior (kcal kg-1); PCS é o poder calorífico superior (kcal kg-1) e H é o teor de hidrogênio (%).
As densidades energéticas foram obtidas pelo produto do PCS e PCI pela densidade básica média da casca do coco babaçu, conforme realizado por Protásio et al. (2013a) para outros materiais lignocelulósicos.
2.6 Caracterização térmica: análise termogravimétrica e análise térmica diferencial (DTA) em atmosfera de nitrogênio
Para a análise termogravimétrica e análise térmica diferencial foi utilizada a fração granulométrica que passou pela peneira de 200 mesh. Para essa análise foi utilizado o equipamento DTG-60H da marca SHIMADZU.
A amostra de aproximadamente 4 mg foi submetida a um gradiente de temperatura, variando da temperatura ambiente até 1.000º C, com taxa de aquecimento de 10º C min-1, utilizando um fluxo de nitrogênio de 50 mL min-1. Utilizando-se a primeira derivada da curva TG (DTG), que estabelece a perda de massa em função da temperatura, foi possível identificar a taxa de perda de massa por segundo e os estágios característicos da pirólise.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Caracterização morfológica dos fragmentos do coco babaçu
Os aspectos morfológicos dos fragmentos do coco babaçu analisados podem ser visualizados nas Figuras 2 e 3. Os frutos do babaçu apresentaram uma morfologia diferenciada, com aproximadamente 9 cm de comprimento e coeficiente de variação de 8,95%.
Os fragmentos do coco babaçu são formados por três camadas distintas: a) a externa fibrosa e fina (epicarpo); b) a intermediária, fibrosa com grande concentração de amido (mesocarpo), e; c) a interna, lenhosa e muito resistente (endocarpo), na qual estão inseridas as amêndoas (EMBRAPA, 1984; EMMERICH; LUENGO, 1996; NOGUEIRA; LORA, 2003; TEIXEIRA, 2005; TEIXEIRA; CARVALHO, 2007; TEIXEIRA, 2008, DIAS et al., 2012).
Figura 2 Fragmentos do coco babaçu (a) e imagem obtida pela microscopia eletrônica de varredura (MEV) (b).
Figura 3 Imagens obtidas por meio da microscopia eletrônica de varredura (MEV).
Geralmente, 12% do fruto correspondem ao epicarpo, 23% ao mesocarpo, 58% ao endocarpo e 7% às amêndoas (EMMERICH; LUENGO, 1996). Devido aos aspectos químicos, como os teores de lignina e carbono e físicos, como a densidade, o endocarpo é o componente do fruto mais importante na produção de carvão vegetal (TEIXEIRA, 2008).
O mesocarpo, por ser constituído basicamente de amido, apresenta elevado teor de materiais voláteis, baixo teor de carbono fixo e baixo teor de carbono elementar (TEIXEIRA, 2008), o que implica em um material de baixa estabilidade térmica que pode reduzir consideravelmente o rendimento em carvão vegetal, bem como de carbono fixo.
Analisando-se as imagens obtidas (Figura 3) nota-se que o endocarpo do babaçu apresenta aspecto menos poroso, mais lignificado e mais denso, em detrimento do mesocarpo, que possui estrutura mais porosa. Desta forma, pode- se inferir que a densidade do coco babaçu deve-se, predominantemente, à presença do endocarpo e que o rendimento da carbonização será maior quanto menor for a quantidade de mesocarpo e maior a quantidade de endocarpo na casca do fruto. Além disso, espera-se que o rendimento em carbono fixo do endocarpo seja superior aos demais constituintes do fruto, justamente devido ao seu maior teor de carbono elementar (TEIXEIRA, 2008).
3.2 Caracterizações químicas: molecular e elementar
O conhecimento da composição química elementar e molecular (Figura 4) é essencial na avaliação do potencial energético de um combustível. Por meio dos teores dos elementos químicos elementares podem-se analisar os processos de conversão energética, como os cálculos relacionados ao volume de ar necessário para a combustão e a quantidade de gases gerados, bem como a
entalpia, exergia e poder calorífico do combustível (BILGEN; KAYGUSUZ, 2008; NOGUEIRA; LORA, 2003; BRAND, 2010).
Figura 4 Composição química molecular, elementar e teor de cinzas (% em base seca) dos resíduos do coco babaçu (valores entre parênteses referem-se ao
desvio padrão).
Conhecendo-se os teores de nitrogênio e enxofre pode-se estimar o potencial poluidor e o impacto ambiental relacionado ao uso energético da biomassa. Sabe-se que altos teores de N e S são indesejáveis, pois contribuem pouco para o poder calorífico da biomassa vegetal, e durante a combustão completa do material esses elementos são quase que totalmente convertidos em óxidos tóxicos (NOx e SOx) e podem promover a formação de chuva ácida e
acidificação de solos, além de corrosão nos equipamentos destinados à conversão energética (DEMIRBAS, 2004a; OBERNBERGER; BRUNNER; BARNTHALER, 2006; BILGEN; KAYGUSUZ, 2008; HUANG et al., 2009; KUMAR et al., 2010).
García et al. (2012) reportaram que as emissões de SO2 são
negligenciáveis em combustíveis de biomassa. Nos resíduos analisados foram detectados apenas traços desse elemento, o que é uma grande vantagem para a
utilização energética dos resíduos do coco babaçu, especialmente para a produção de carvão vegetal, uma vez que o enxofre é um contaminante do ferro- gusa e prejudica as suas propriedades mecânicas.
Já o teor de nitrogênio da biomassa do coco babaçu foi superior ao relatado na literatura para o bagaço de cana-de-açúcar (N: 0,50%) (PAULA et al., 2011; PROTÁSIO et al., 2013a) e madeira de clones de eucalipto (N: 0,07 a 0,25%) (NEVES et al., 2011; REIS et al., 2012; SANTANA et al., 2012; NEVES et al., 2013; PROTÁSIO et al., 2013a; PROTÁSIO et al., 2013b).
Contudo, outros resíduos lignocelulósicos utilizados para a geração de energia no Brasil, como os resíduos do processamento dos grãos de café e da colheita do milho, apresentam teores de N+S iguais a 2,3% (PROTÁSIO et al., 2012a; PROTÁSIO et al., 2013a) e 2,2% (PROTÁSIO et al., 2013a), respectivamente, sendo superiores aos encontrados para a biomassa do coco babaçu em aproximadamente 72%.
As diferenças entre os percentuais de nitrogênio encontrados na literatura e os resíduos do coco babaçu podem ser explicadas pelas distintas condições do solo, pelo estresse hídrico e pelo metabolismo e fisiologia de cada espécie. A absorção de N é feita predominantemente no solo na forma de nitrato, logo, as condições edafoclimáticas locais são preponderantes no conteúdo percentual desse elemento na biomassa vegetal.
Cabe ressaltar, ainda, que o carvão mineral, amplamente utilizado no mundo nas termelétricas, apresenta teores de nitrogênio e enxofre de até 2,12% e 6,29%, respectivamente (WARD; ZHONGSHENG; GURBA, 2008), valores muito superiores aos resíduos do coco babaçu e reforça a vantagem de uso dessa biomassa como fonte de energia. Demirbas (2001) reportou que a combustão da biomassa produz 90% menos enxofre do que o carvão mineral.
Quanto aos demais constituintes elementares a alta proporção de O, comparada ao C e H, geralmente reduz o poder calorífico do combustível,
devido à baixa exergia contida nas ligações carbono-oxigênio do que em ligações carbono-carbono ou carbono-hidrogênio, além disso, o oxigênio não é um elemento reativo (PROTÁSIO et al., 2011; BILGEN; KAYGUSUZ, 2008; HUANG et al., 2009; SHENG; AZEVEDO, 2005; DEMIRBAS, 2004b). Os resultados encontrados estão em concordância aos obtidos por Protásio et al. (2013a) para bagaço de cana-de-açúcar (C: 46,8%, H: 6,3% e O: 45,3%) e resíduos da madeira de eucalipto (C: 48,2%, H: 6,4% e O: 45,0%) e demonstram que a biomassa residual do coco babaçu apresenta significativo potencial de uso